Question

【題目】鈉離子電池由于成本低、資源豐富，成為取代鋰離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用的理想選擇。作為鈉離子電池的正極材料之一，束狀碳包覆K3V2(PO4)3納米線(xiàn)電極材料成為關(guān)注焦點(diǎn)之一。其制備工藝流程如圖：

（資料）

①石煤的主要成分為V2O3，含有Al2O3、CaO、Fe2O3等雜質(zhì)。

②+5價(jià)釩在溶液中的主要存在形式與溶液pH的關(guān)系如下表。

（1）K3V2(PO4)3中V的化合價(jià)為___。

（2）焙燒時(shí)，向石煤中加生石灰，將V2O3轉(zhuǎn)化為Ca(VO3)2。

①為了提高焙燒過(guò)程中氧化效率，下述工藝步驟方法合理的是___。

a.在回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行富氧焙燒，助燃風(fēng)氣量為煤氣量的0.5~2倍

b.焙燒過(guò)程中，在焙燒物料中加入輔助劑，增加物料疏松度和透氣性

c.窯體進(jìn)行分段控溫

d.調(diào)控料層厚度為窯體的2/3高度

②焙燒過(guò)程中主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為__________。

（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)將NH4VO3、KOH和H3PO4按物質(zhì)的量分別為5mmol、7.5mmol、7.5mmol依次溶解于20mL去離子水中，溶液顏色依次為白色渾濁、無(wú)色澄清透明和棕紅色透明溶液。隨后再加入H2C2O4·2H2O，攪拌至溶液變?yōu)辄S綠色，草酸的量對(duì)K3V2(PO4)3形貌的影響如下：

①實(shí)驗(yàn)條件下束狀碳包覆K3V2(PO4)3納米線(xiàn)樣品制備的最佳條件為___。

②亞硫酸鈉是常用的還原劑，但實(shí)驗(yàn)中不能用亞硫酸鈉代替草酸晶體，原因是___。

（4）加入的草酸晶體是過(guò)量的，其中只有的草酸為還原劑，將VO3-還原成VO2+，的草酸以C2O42-的形式存在，此過(guò)程中反應(yīng)的離子方程式為___。

（5）“氬氣中煅燒”時(shí)，氬氣的作用是___。

（6）某工廠利用上述工藝流程，用10t石煤生產(chǎn)束狀碳包覆K3V2(PO4)3納米線(xiàn)0.8064t，若整個(gè)過(guò)程中釩的總回收率為80%，則石煤中釩元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為___。

Answer 1

【答案】+3 a、b、c 草酸質(zhì)量為6.0g 草酸在合成束狀碳包覆K2V2(PO4)3納米線(xiàn)的過(guò)程中不僅做還原劑還影響其形貌 防止K2V2(PO4)3被氧化 2.04%

【解析】

石煤的主要成分為V2O3，含有Al2O3、CaO、Fe2O3等雜質(zhì)，在空氣中焙燒，生成Ca(VO3)2，固體進(jìn)行酸浸，生成Fe3+、Al3+、Ca2+、等，加入萃取劑將含的物質(zhì)萃取，然后進(jìn)行反萃取操作將含的物質(zhì)提純，向所得溶液中加入沉淀劑生成NH4VO3，NH4VO3與KOH、H3PO4反應(yīng)后得到棕紅色透明含溶液，然后向溶液中加入過(guò)量草酸晶體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將還原成VO2+，然后進(jìn)行干燥，將固體在氬氣中煅燒制備束狀碳包覆K3V2(PO4)3納米線(xiàn)，以此解答。

（1）K3V2(PO4)3中K元素化合價(jià)為+1價(jià)，帶3個(gè)單位負(fù)電荷，根據(jù)化合物化合價(jià)為0可知，V呈+3價(jià)；

（2）①a．焙燒過(guò)程中V元素被氧化，在富氧環(huán)境中焙燒有利于提高氧化效率，故a符合題意；

b．增加物料疏松度和透氣性可提高固體反應(yīng)的效率以及反應(yīng)速率，可提高氧化效率，故b符合題意；

c．分段控溫可防止過(guò)熱導(dǎo)致固體結(jié)塊，可提高氧化效率，故c符合題意；

d．若料層厚度過(guò)高，不利于反應(yīng)的充分進(jìn)行，因此需降低料層的厚度，故d不符合題意；

故答案為：a、b、c；

②焙燒過(guò)程中V2O3轉(zhuǎn)化為Ca(VO3)2，V元素化合價(jià)升高，因此空氣中O2參加反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為：；

（3）①由表格可知，若要制備出均一的束狀K3V2(PO4)3納米線(xiàn)，則草酸的量為6.0g；

②草酸在合成過(guò)程中作還原劑，由表格可知，草酸晶體的使用量不同，納米線(xiàn)的形貌也會(huì)發(fā)生該變，因此選用草酸晶體而不用亞硫酸鈉的原因?yàn)椋翰菟嵩诤铣墒鵂钐及��?/span>K2V2(PO4)3納米線(xiàn)的過(guò)程中不僅做還原劑還影響其形貌；

（4）草酸只有的草酸為還原劑，草酸被氧化為CO2，并將還原成VO2+，的草酸以的形式存在，根據(jù)氧化還原轉(zhuǎn)移電子守恒、電荷守恒以及原子守恒可知該離子反應(yīng)方程式為：；

（5）K3V2(PO4)3中V呈+3價(jià)，容易被空氣中氧氣氧化，因此用氬氣作保護(hù)氣，防止K3V2(PO4)3被氧化；

（6）設(shè)石煤中釩元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為，根據(jù)整個(gè)過(guò)程中V元素質(zhì)量守恒可得：

，=，解得=0.0204，則石煤中釩元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.04%。